STREAMING. Probleme mit Echtzeitanwendungen. Konstantin Vogel Benni Tröger Thore Christiansen 24544

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1 STREAMING Probleme mit Echtzeitanwendungen Konstantin Vogel Benni Tröger Thore Christiansen Vorlesung: Rechnernetze 2 Dozent: Gottfried Antpöhler Abgabe: 05. Juli 2007

2 1. EINLEITUNG DEFINITION ABGRENZUNG DER BEGRIFFE STREAMING UND DOWNLOAD WIEDERGABE-PLAYER UND STREAMING-SERVER EINSATZ BEI FUNK UND FERNSEHEN MARKTFÜHRENDE STREAMINGSYSTEME PRODUKTION UND PRÄSENTATION DER INHALTE TECHNISCHER HINTERGRUND DATENÜBERTRAGUNG Unicast Multicast Broadcast Anycast Resource Reservation Protocol (RSVP) Path Messages Resv Messages Teardown Messages ENCODIEREN PROBLEME UND LÖSUNGEN ANWENDUNGSBEISPIELE QUICK TIME STREAMING BIG BROTHER STREAMING-FIEBER 1999/ FAZIT REFERENZEN Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen - 2 -

3 1. Einleitung Spätestens als Models wie Tyra Banks und Heidi Klum im Jahr 1999 Dessous exklusiv und weltweit vorführten und 2 Millionen Nutzer an die Monitore lockten, wurde klar, dass die Internettechnologie Streaming Media eine wichtige Rolle spielen wird. Wie erfolgreich Streaming geworden ist sieht man an 100 Millionen Streams innerhalb von 64 Tagen bei der Übertragung von Big Brother, oder der Explosion von Live-Radiosendern und LiveBroadcasts der TV-Stationen, die das World Wide Web tagtäglich überschwemmen. Das Streaming- Angebot ist sehr vielfältig es umfasst Trainings- & elearning Angebote, externe Übertragungen wie die Durchführung von Presseterminen bis hin zur Übertragung von gesellschaftlichen Events. Die unter dem Begriff Streaming Media bekannte Technologie ist seit ca. 12 Jahren bekannt wurde aber aufgrund ihrer schlechten Darstellungsqualität nur belächelt. Das Problem hierbei war die Größe und die Übertragungsgeschwindigkeit der Daten. Dies änderte sich als im Jahr 1999 die Firma Yahoo! Inc. Die Firma Broadcast.com übernahm und die Streaming Technologie revolutionierte. Deshalb waren die ersten Erfolge die Streaming-Media verzeichnen konnte im Bereich der B2B Dienstleistungen d.h. beispielsweise die Übertragung von Firmen-Events, Hauptversammlungen und Schulungen. Die First-Mover-Erfolge waren: Streaming der ersten Radiostation live 24/7 im Internet Erste Sportübertragungen (NFL und NHL) im Internet Erste Übertragung einer Hauptversammlung im Internet Erste Live-Event-Übertragung im Jahr 1999 Die fulminanten Erfolge fanden schnell ihre Nachahmer. Primäre Unternehmen die diese neue Technologie zur Schulung oder Information ihrer Mitarbeiter nutzten. 1.1 Definition Der Begriff Streaming Media vereint unter sich Streaming Audio und Streaming Video. Man versteht darunter das gleichzeitige Empfangen und Wiedergeben von Audio- und Videodaten aus einem Computernetzwerk. Der Vorgang wird als Streaming bezeichnet. Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen - 3 -

4 1.2 Abgrenzung der Begriffe Streaming und Download Streaming Media unterscheidet sich vom klassischen Download. Dem Media Server der den Sender darstellt, steht dem Empfänger also einem Audio-Video-Player gegenüber. Der Audio-Video-Player kurz AV-Player genannt ist als Plug-In für den Browser erhältlich und ermöglicht das Abspielen von Audio- und Videofiles, ohne die Festplatte zu belasten und vor allen Dingen, ohne die sonst übliche Wartezeit. Anders als bei MP3-Files, bei der die Datenkompression genutzt wird, nutzt Streaming Media ausschließlich den Arbeitsspeicher des Computers aus. Der Vorteil des Streaming besteht also darin Film- und Tonsequenzen bereits bei laufendem Downstream (Datenverbindung vom Empfänger zum Sender) abspielen zu können. Mindestens sollten 15 Frames pro Sekunde übertragen werden damit sich die Qualität an das klassische Fernsehbild mit 24 Frames pro Sekunde annähert. Wenn dies nicht der Fall ist und sich die Frames pro Sekunde im Bereich von fünf oder weniger abspielt spricht man von einem Ruckelbild. Der Download unterscheidet sich aber nicht nur von der technischen Seite vom Streaming sonder auch von der Rechtslage. Der Download ermöglicht die digitale Vervielfältigung, Streaming Media erlaubt dagegen kein Speichern auf Empfängerseite. Dies ist natürlich für die Musikindustrie oder Bild- und Nachrichtenagenturen wichtig, um missbräuchliche Nutzung oder Vervielfältigung zu vermeiden. 1.3 Wiedergabe-Player und Streaming-Server Abbildung 1.2: Audio- und Videoformate Player Audio- und Video- Streaming funktioniert auf Basis unterschiedlicher Datei- und Übertragungsformate. Auf der Senderseite wird zunächst ein Content-Creation-Tool benötigt, mit diesem kann man unter anderem kleinere Animationen, Präsentationen Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen - 4 -

5 oder auch kurze Musik-Videos erschaffen, die sich dann als selbstausführende und gerade mal 64 KByte große Dateien exportieren. Weiterhin wird das Tool benötigt um den Content (Der Begriff Content (eng.: der Gehalt, der Inhalt) wird in neuerer Zeit in der deutschen Sprache zur Beschreibung von Inhalten verwendet. Gemeint sind damit jedoch ausschließlich die Inhalte von Medien.) ins gewünschte Streaming-Format für Real oder Media Player zu bringen. Dann wird der aufbereitete Content über einen Realserver oder Windows Media-Server im Internet bereitgestellt. 1.4 Einsatz bei Funk und Fernsehen Dass Ziel vieler Firmen ist möglichst viele Funktionen des Computers und des Fernsehapparats in einem einzigen Gerät zu vereinigen. Dabei stellt sich noch die Frage ob das Fernsehen in den PC oder das Web in den Fernseher gebracht werden soll. Diese komplexe Fragestellung ist bis heute noch nicht geklärt. Dabei ist auch zu beachten dass es passive und aktive Nutzer des Streamings gibt. Die erste Gruppe genießt das Entertainment Programm zu Hause auf dem Sofa während die zweite Gruppe die neuesten News lieber unterwegs per Handy oder per Laptop im Büro aufnehmen will. Mit Streaming Media wird nun aber auch noch ein anderer Faktor nämlich die Zeit tangiert. Im Internet können wir uns anders als beim konventionellen Fernsehen jederzeit einen Film ansehen. Das Programm bestimmt der Nutzer: Ein Klick reicht aus und je nach Interesse werden Sportberichte, Kinotrailer oder Kurzfilme geladen. Streaming Media in Verbindung mit IP-basierten mobilen Endgeräten führt zu entscheidenden Veränderungen der Nutzungsmerkmale. Die Nutzungssituation des konventionellen Fernsehzuschauers ist stets passiv und ortsgebunden (20 Uhr Tagesschau im Wohnzimmer) wobei über IP basierte Endgeräte (z.b. Handy) das Programm und der Ort keine Rolle mehr spielen. Hierbei setzten sich in der Praxis nur die Formate durch die sich flexibel an die Bedürfnisse der Nutzer richten. Beispiel: Ein Fußball-Bundesligaspiel wird im Pay-TV in voller Länge übertragen, im Anschluss daran liefe eine 20-minütige Zusammenfassung im Free-TV, im Internet wäre ein dreiminütiger Kurzbericht abrufbar. Auf das UMTS-Handy würden schließlich die wichtigsten Tore in einem 30- Sekunden-Clip übertragen werden. Die Bedürfnisse der Nutzer bestehen also aus Exklusivität und Personalisierung des Angebots, d.h. jeder Fußball-Fan wird immer aktuell an jedem beliebigen Ort zu jeder beliebigen Zeit mit Informationen versorgt. Wie oben beschrieben werden Streamings aber nicht nur für Fußballbegeisterte genutzt, auch die Fernsehsender wie ProSieben, RTL, oder Sat.1 setzen auf Entertainment rund um die Uhr, ortsunabhängig und Programm je nach Wunsch. Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen - 5 -

6 Abbildung 1.2: Immer Live dabei: Per UMTS-Handy Es lassen sich zwei Typen von Online-Marken differenzieren: Die TV-Marken, die das Fernsehprogramm ins Web verlängern und mit neuen Inhalten anreichern z.b. ProSieben, Sat.1, RTL etc., sowie die eigenständigen Internet-Marken z.b. Sport1.de, shorts-welcome.de. Streaming Media erfüllt hier unterschiedliche Funktionen: Für die TV-Marken ist Streaming Media die notwendige technische Voraussetzung, um die Fernsehinhalte auf andere Endgeräte transportieren zu können. Den Internet-Marken aber auch Online-Marken der Sender erlaubt Streaming Media, unabhängig vom TV-Bild, eigene, neue interaktive Inhalte anzubieten und die Möglichkeiten des Webs auszunutzen. 1.5 Marktführende Streamingsysteme Den Markt für Streaming Media haben sich auf Server- und Player-Seite die Firmen Microsoft und Real System nahezu gleich aufgeteilt, einen Vorteil hierbei hat Microsoft da der Windows Media Player zum üblichen Lieferumfang bei beispielsweise Betriebssystemen gehört. Real Networks dagegen hat Vorteile wenn es um Funktionalität bzw. Bildqualität geht. System Real Systems Windows Media Hersteller Serverlösung Plattform Protokolle Liveencoding Windows, HTTP, Real Linux, Real Server RTP, Ja Networks Solaris, RTSP Free BSD Microsoft Windows Media Windows HTTP MMS Ja Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen - 6 -

7 1.6 Produktion und Präsentation der Inhalte Grundsätzlich lassen sich 2 Arten von Streamings unterscheiden: On-Demand-Streaming: Hierbei werden bereits bestehende Files wie Audio- Video-Clips auf den Streaming-Servern abgelegt und sind von diesen jederzeit abrufbar Live-Streaming: Hierfür sind mehrere Schritte notwendig: - AV-Produktion - Signal-Aufbereitung bzw. Encodierung - Signalübermittlung an Server - Hosting und Content Delivery Management - Präsentation und Darstellung des Contents auf der Webseite AV-Produktion: Unter AV-Produktion versteht man die Erstellung einer geeigneten Datei z.b. in Form eines Videos. Signalaufbereitug und Encodierung Vor dem Encodierung, also dem Aufbereiten des Signals muss man sich im Klaren sein in welcher Qualität und Größe und vor allem in welchem Format der Stream im Internet abrufbar sein soll. Für die jeweiligen Formate also Real oder Media Player wird ein so genannter Software Encoder oder Content Creation Tool benötigt. Um eine gute Qualtiät zu erhalten müssen zwei Kriterien erfüllt sein: Encoding-PC benötigt ausreichend Performance (mindesten Pentium III) und hohen Arbeitsspeicher. Je besser die PC-Performance desto besser ist die Bildqualität. Signalübermittlung benötigt eine Internetverbindung die eine gleiche oder höhere Bandbreite als die des Signals zur Verfügung stellen kann. Um Real- und Media Player-Streams benutzen zu können wird jeweils ein Encoder benötigt. Also insgesamt zwei Encoding-Rechner. Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen - 7 -

8 Signalübermittlung Diese kann auf mehrere Arten erfolgen: Internet Dedizierte Datenleitung z.b. Glasfaser oder Richtfung Satellit Mobile Signalzuführung durch GSM Hosting und Content-Delivery Ein Content Distribution Network ist ein Netzlokal verteilter und über das Internet verbundener Server, mit dem Content (große Mediendateien) ausgeliefert wird. Die AV-Produktion und Hosting/Content- Delivery stellen in der Regel die größten Kostenblöcke bei der Durchführung eines Streamings dar. Die Kosten werden unter anderem beeinflusst von der Anzahl der Live Server, den Datendurchsatz, Verbreitung im Internet, Anzahl der simultanen Betrachter Präsentation und Darstellung des Contents auf der Website Der Live-Stream kann entweder über den durch das Plug-In installierten Player von Real Networks, mit dem Microsoft Media Player oder einem Embedded Player betrachtet werden. Ein Embedded Player ist ein individuell gestaltetes Browserfenster. Er hat den Vorteil, dass man um den Stream herum relevanten Content und Links aber auch z.b. Firmenwerbung platzieren kann. Diese Anwendung haben sich Firmen wie z.b. Yahoo oder Youtube zum Vorteil gemacht. Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen - 8 -

9 Abbildung 1.3: Videostream aus YouTub mit Werbeplattform Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen - 9 -

10 2. Technischer Hintergrund 2.1 Datenübertragung Unicast Unicast bezeichnet eine Datenübertragung zwischen einem Sender zu einem Empfänger. Bei Unicast-Verbindungen wird der Empfänger direkt per MAC und oder IP-Adresse adressiert. Diese Adressen haben folgende Form: Unicast-MAC-Adresse: 00:02:DD:40:26:F5; Unicast-IP-Adresse: Unicast Verbindungen können unidirectional (Eine Übertragung bei der nur ein richtungsorientierter Übertragungskanal zur Verfügung steht, aber kein Rückkanal.) und bidirectional (Zwischen Sender und Empfänger gibt es zwei Kanäle: einen Hinund einen Rückkanal.) sein. Ein typisches Beispiel für Unicast ist eine Telefonverbindung mit zwei Teilnehmern. Abbildung 2.1: Verteilung von Datenpaketen mit Unicast Technologie [ Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen

11 Wenn mehrere Clients die gleichen Datenpakete anfordern wird für jeden Client einen eigene Verbindung zu dem Server aufgebaut. Dies kann bei einer großen Nachfrage bestimmter Datenpakete, sehr schnell zu einer Serverüberlastung führen. Wenn man Daten verteilen möchte, für die eine große nachfrage besteht, ist es daher sinnvoll eine Multicast Technologie einzusetzen Multicast Multicast bezeichnet eine Datenübertragung von einem Server zu einer ganzen Gruppe von Clients. Bei dieser Verbindungsmethode sendet der Server die Datenpakete nur an einen Router. Von dort aus werden sie an weitere Router und Clients verteilt. Der Vorteil hierbei ist, dass die Auslastung des Servers nicht mit steigender Zahl der Clients zunimmt. Auch jede Kabelverbindung muss jedes Datenpaket nur einmal übertragen. Abbildung 2.2: Verteilung von Datenpaketen mit Multicast Technologie [ Forderungen an eine Multicast-Übertragung - keine doppelten Pakete Datenpakete sollen pro Verbindung (Server Router; Router Router; Router Client) nur einmal verschickt werden. Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen

12 - keine unnötigen Pakete Datenpakete sollen nur über Verbindungen verschickt werden, die zu einem Client führen. - Skalierbarkeit Die Übertragung soll mit wenigen (zwei Clients) und vielen (zehn Millionen Clients) Clients gut funktionieren. - geringe Serverauslastung Der Server soll die Datenpakete nur einmal verschicken müssen. Anwendung von Multicast-Übertragung - Ausstrahlung o Radio / Fernsehen o Push-Dienste Push-Dienste sind eine Methode der Verbreitung von Informationen, bei der die Daten von einem zentralen Server an bekannte Clients versand werden. Die sind z.b. Client- Computer die einen Nachrichtendienst im Internet abonniert haben. - - replizierte Datenbestände o Usenet Das Usenet (/ˈjuːznɛt/, urspr. Unix User Network) ist ein weltweites, elektronisches Netzwerk, das Diskussionsforen (sogenannte "Newsgroups") aller Art bereitstellt und an dem grundsätzlich jeder teilnehmen kann. Der Teilnehmer verwendet dazu üblicherweise einen Newsreader. 1 o Cache, Datenbank - Shared Whiteboard - Virtuelles Ethernet 1 Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen

13 2.1.3 Broadcast Broadcast ist eine spezielle Form der Mehrpunktverbindung. Beim versenden einer Broadcast-Nachricht ist der Empfänger beim Versand noch nicht bekannt. Daher eignet sich eine Broadcastverbindung zum versenden einer Nachricht an alle Computer eines Netzwerkes. Jeder Computer im Netzwerk nimmt die Nachricht entgegen und entscheidet dann ob der sie verarbeiten oder verwerfen möchte. Diese Entscheidung wird in den meisten Fällen vom System übernommen. In lokalen Netzwerken werden Broadcast-Protokolle verwendet um Drucker- und Netzwerkfreigaben zu suchen Anycast Bei der Anycast-Verbindung wird über eine Adresse eine ganze Gruppe von Servern angesprochen. Der Server mit der kürzesten Antwortzeit nimmt die Anfrage entgegen. Realisiert wird diese Verbindungsart durch die Verteilung mehrerer gleichartiger Server mit räumlich getrennten IP-Adressen. In der Praxis bringt diese Verbindungsstruktur viele Vorteile. So wird zum Beispiel beim Ausfall eines Servers ein anderer funktionsfähiger Server gerouted. Durch die gute Lastenverteilung zwischen den Servern bietet Anycast kürzere Zugriffszeiten. Ein weiterer Vorteil ist die gute Skalierbarkeit, dass heißt das ohne Probleme neue Server hinzu- oder Alte abgeschaltet werden können. Um seine zuverlässige Arbeit sicherstellen zu können müssen alle Server im System stets identische Daten vorweisen, daraus folgt, dass eine aufwendige Synchronisierung notwendig ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass im Falle eines Fehlers nicht sofort klar ist wo der Fehler aufgetreten ist. Daher verfügt jeder Server zu Administrationszwecken über eine zusätzliche Unicast-Adresse (siehe 2.1.1) Resource Reservation Protocol (RSVP) Das Rescource Reservation Protocol ist ein Signalisierungsprotokoll, welches die Dienstanforderungen für Empfänger außerhalb einer Multicast-Gruppe festlegt. Das heißt es reserviert für den Empfänger auf einer möglichen Verbindung die für die Übertragung notwendige Bandbreite. RSVP-Messages RSVP hat viele verschiedene Message-Typen. Die zwei wichtigsten sind Path und Resv. Die anderen Messages enthalten Konfigurationen, Fehlerberichte und Informationen über das Trennen der Verbindung. Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen

14 Die Message-Typen sind folgende: Nr. Message Typen 1 Path message 2 Resv message 3 PathErr message 4 ResvErr message 5 PathTear message 6 ResvTear message 7 ResvConf message Alle RSVP Messages haben den gleichen Header, in dem der Message-Typ und die Länge definiert sind. Der Rest der Nachricht enthält RSVP Message Objekte. Die Einzelnen Objekte sind in folgender Tabelle dargestellt: object description NULL Should be ignored by destination SESSION Session (destination of flow) RSVP_HOP Previous (PHOP) or next (NHOP) hop address TIME_VALUES Refresh period of the path or reservation messages STYLE Reservation style and the style-specific information FLOWSPEC The desired QoS FILTER_SPEC Filter which defines packets receiving QoS SENDER_TEMPLATE Sender identifier (transport-level address) SENDER_TSPEC Upper bound on traffic that sender generates ADSPEC A summary of advertised QoS capabilities on path ERROR_SPEC Error (or confirmation) specification POLICY_DATA Opaque data that is handed to policy control module INTEGRITY Keyed MD5 authentication and verification data. SCOPE A list of upstream routers used to prevent loops RESV_CONFIRM Address where to send the reservation confirmation Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen

15 Path Messages Jeder RSVP-Sender sendet regelmäßig Path Messages zu derselben Zieladresse, zu der auch der Datenfluss gesendet wird. Obwohl die Path Messages den gleichen Weg nehmen wie der aktuelle Datenfluss, gehören sie nicht dazu. Ihre Aufgabe ist es eine Verbindung zwischen Sender und Empfänger zu finden. Eine Path Messages ist wie folgt aufgebaut: <Path Message> ::= <Common Header> [ <INTEGRITY> ] <SESSION> <RSVP_HOP> <TIME_VALUES> [ <POLICY_DATA>... ] [ <sender descriptor> ] <sender descriptor> ::= <SENDER_TEMPLATE> <SENDER_TSPEC> [ <ADSPEC> ] Das <INTEGRITY> Objekt kommt direkt nach dem RSVP <Common Header>. Jeder RSVP-Router, der freie Kapazitäten hat, überschreibt das <RSVP_HOP> mit der IP-Adresse und der logischen Identifizierung des Interface, an das er die Path Massage weiterleitet. Die ersten zwei Objekte haben eine eindeutige Bezeichnung. Die darüber liegenden sind nur Empfehlungen. Der Downstream Host benutzt diese Adresse um eine RSVP-Message zurück zum Upstream zu schicken. Jeder PSVP-Kabel Router und der Zielhost nehmen die Path-Message auf und verarbeiten sie. Sie erstellen einen Wegstatus, der in regelmäßigen Abständen von neuen Path-Messages aktualisiert wird. <TIME_VALUES> definieren, wir lange der Sender und die auf dem Weg liegenden Router die gefundene Verbindung aufrecht erhalten, ohne das die Path-Message aktualisiert wird. Sie geben ebenfalls an, in welchem Zeitraum neu Path-Messages generiert werden. Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen

16 Abbildung 2.3: RSVP Path-Messages Die <SESSION> und der <SENDER_TEMPLATE> identifizieren zusammen den Datenfluss. In ihnen ist definiert welche Datenpakete zum entsprechenden Datenfluss gehören. Der <SENDER DESCRIPTOR> beinhaltet die Traffic-Parameter vom Datenfluss, welche in dem <SENDER_TSPEC> Objekt generiert werden. Diese Traffic-Parameter sind gemäß dem Token-Bucket-Algorithmus definiert. Sie beinhalten unter anderem die maximale Bandbreite, die Token Bucket Größe und die maximale Größe der einzelnen Datenpakete. Das <ADSPEC> Objekt beinhaltet die QoS Daten (Quality of Service). Der Sender füllt das ADSPEC mit seiner QoS Kapazität. Jeder Router der sich auf dem Übertragungsweg befindet lässt seine freien Kapazitäten in die ADSPEC integrieren. Der Empfänger bekommt so eine Zusammenfassung des aktuellen QoS der gesamten Verbindung Resv Messages Die aktuelle Ressourcenreservierung wird durch eine Resv-Message ausgeführt. Der Empfänger bekommt das Ziel des nächsten Upstream von den Path-Messages. Wichtig ist, dass der Empfänger ohne Path-Messages vom Sender keine Ressourcen reservieren kann. Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen

17 Eine Resv-Message enthält folgende Objekte: Objekt RSVP Header INTEGRITY SESSION RSVP_HOP TIME_VALUES RESV_CONFIRM SCOPE POLICY_DATA STYLE FLOWSPEC FILTER_SPEC Die meisten dieser Objekte sind schon im Kapitel der Path-Messages beschrieben worden. Der <STYLE> bestimmt welchem Datenfluss in einer Session die Reservierung zusteht. Zurzeit sind drei verschiedene Styles definiert. - Fixed-Filter Style Es besteht eine eindeutige Zuweisung zwischen der Reservierung und den einzelnen Datenpakten. - Shared-Explicit Style Bestimmte aufgelistete Datenpakete teilen sich die zur Verfügung stehenden Ressourcen - Wildcard-Filter Style Alle Datenpakete teilen sich die zur Verfügung stehenden Ressourcen Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen

18 Der <FLOWSPEC> und der <FILTER_SPEC> bilden zusammen den Flow descriptor. Flowspec definiert den gewünschten Service und ein filter spec definiert die Ressourcen für den Datenfluss. Die Paketklassifizierung benutzt Filter spec, Session, Quell- und Empfängeradresse um die Datenpakete zu markieren, die zum Datenstrom gehören. Flowspec beschreibt den Traffic und die Ressourcenanforderungen die in dem Datenfluss vorhanden sind. Die Durchlasskontrolle berechnet aus dem Flowspec wie viele Ressourcen sie dem Datenfluss zuteilen soll. Der Paketplaner benutzt es wiederum um Festzulegen wie die Datenpakete eingereiht werden. Abbildung 2.4 Resv-Messages Die Ressourcenreservierung und die Resv-Messages werden von den Routern entlang der Multicastverbindung kombiniert. In Abbildung 2.4 fasst der Router 2 (R2) als erstes die beiden Ressourcenreservierungen von Member 1 (M1) und von Member 2 (M2) zusammen. Dann werden die zusammengefassten Ressourcenreservierungen vom Router 1 (R1) mit der Anfrage von Member 3 (M3) verbunden. Der Sender (S1) empfängt jetzt nur eine Resv-Message. Wenn mehrere Reservierungen zusammengefasst werden, muss dabei beachtet werden, dass die resultierenden Reservierungen immer noch die Bedingungen des QoS erfüllt. Wenn zum Beispiel in der Abbildung 5 der Member 1 (M1) eine maximale Verzögerung von 50ms fordert und Member 2 (M2) 12 ms als maximale Verzögerung zulässt, so darf die zusammengefasste Reservierung auch nur 12 ms Verzögerung erlauben. Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen

19 Teardown Messages Teardown Messages sind Nachrichten die zum stornieren einer Reservierung genutzt werden. Da die Reservierung auch ohne Teardown Message verworfen werden würde, wenn innerhalb des Timeout keine neuen Path Messages gesendet werden, sind Teardown Messages grundsätzliche gar nicht notwendig. Da sich das ganze aber im millisekunden Bereich abspielt würde es die nachfolgenden Verbindungen nur zusätzlich verzögern. Es gibt zwei Typen von Teardown Messages: - PathTear wird vom Sender zum Empfänger gesendet - ResvTear wird vom Empfänger zum Sender gesendet 2.2 Encodieren Ein Stream setzt sich zusammen aus Video- und Audiodateien und unterschiedlichen Überwachungsinformationen. Um ein problemloses (ruckelfrei, verzögerungslos etc.) Hören oder Sehen zu gewährleisten, werden die Daten an die Übertragungsrate (Bandbreite) angepasst, indem sie komprimiert werden. Zum Komprimieren der Daten werden sogenannte Encoderprogramme verwendet. Man unterscheidet hier zwischen zwei Streamingmethoden. Beim Live-Streaming werden die Daten live codiert und direkt gesendet oder beim On-Demand-Streaming eine Mediendatei erzeugt, die danach auf dem Server zum download oder Stream auf dem Server gespeichert. Das Encodieren erfolgt je nach Bandbreite mit mehr oder weniger großen Verlusten. Deshalb ist es für den Produzenten wichtig, welche Daten wichtiger sind und wie viel Verlust für eine angemessene Präsentation tolerabel ist. 2.3 Probleme und Lösungen Probleme bei der Datenübertragung via Internet - Verlust von Datenpaketen - Ungewolltes Vervielfachen von Datenpaketen und damit Störung der Wiedergabe - Keine Sicherheit gegenüber Mindestverzögerungen beim Empfang - Qualitativ unterschiedliche Bereitstellung der Datenpakete (Jitter) - Verlust der richtigen Reihenfolge der Pakete Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen

20 Mögliche Lösungen Playback-Puffer Vorübergehende Speicherung der eintreffenden Daten gleicht die Schwankungen (Jitter) aus, was einer Ressourcenreservierung entspricht. Time-Stamping Jedes Datenpaket wird mit einer Information über seinen Platz in der Reihenfolge versehen. Reservierung von Ressourcen Vor Beginn der Übertragung werden die verfügbaren Netzwerkressourcen (Bandbreite) reserviert. Sequenznummern Ähnlich wie beim Time-stamping können Datenpakete durch entsprechende Kennzeichnung überprüft und rekonstruiert werden (reassembling). Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen

21 3. Anwendungsbeispiele 3.1 Quick Time Streaming Streaming beinhaltet das Versenden von Videos von einem Server zu einem Client über ein Netzwerk wie z.b. das Internet. Der Server teilt das Video in Pakete, die über das Netzwerk geschickt werden können. Auf der Empfängerseite werden die Pakete vom Client wieder zusammengesetzt. Das Video wird während des Versendens abgespielt. Eine Reihe von zusammenhängenden Paketen bezeichnet man als stream. Streaming unterscheidet sich vom gängigen Datentransfer. Der Client spielt das Video schon während der Übertragung ab, während er bei der normalen Datenübertragung warten muss, bis die gesamte Datei angekommen ist. Der Client soll das streaming video sogar gar nicht herunterladen, sondern es nur während der Übertragung abspielen und danach verwerfen. QuickTime Videos können mithilfe verschiedener Protokolle gestreamt werden, z.b. http. ftp oder rtp. http und ftp sind unentbehrliche Protokolle zum Übertragen von Dateien. Beim Arbeiten mit QuickTime kann jedes gespeicherte Video unter Verwendung dieser Protokolle gestreamt werden, da die QuickTime Client Software die Datei abspielen kann bevor sie komplett angekommen ist. Rtp findet Gebrauch im real time streaming. Hier werden die Dateipakete in Echtzeit übertragen. Die einzelnen Pakete werden in entsprechender Reihenfolge gekennzeichnet und können somit synchron wiedergegeben werden. Für Echtzeitstreams gibt es zwei Transfermöglickeiten, unicast und multicast. QuickTime Streaming erweitert die QuickTime-Software um die Möglichkeit zum Erstellen, Versenden und Empfangen von Multimedia streams. 3.2 Big Brother Streaming-Fieber 1999/2000 Nicht nur die TV-Zuschauerzahlen mit einem Marktanteil von 39,2% überschritten zu diesem Zeitpunkt die Erwartungen von RTLII bei weitem, auch die Zugriffszahlen im Internet mit 5,8 Millionen aufrufe der Homepage von Big Brother allein am ersten Tag kündeten ein Großevent an. Das streamen wurde in dieser Zeit erstmals zum Volkssport und wurde dadurch populär. Mit 28 Millionen Live-Streams wurde Big Brother 24 Stunden rund um die Uhr, ohne Zeitversatz mitverfolgt. Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen

22 Encoding der Streams: TV1.de übernahm die fertigen Audio- und Videosignale vom Studiobetreiber und digitalisierte diese noch im Container mit zehn Encodermaschinen in das RealVideo-Format. Dabei konnten nur Encoder gewählt werden, die Stabil im Dual-Betrieb liefen. Hierbei entschied man sich wegen den enormen Möglichkeiten in der Remote-Administration für Linux. Serving der Streams: 16 Millionen Deutsche hatten damals Zugang zum Internet. Es wurden 18 Kameraperspektiven und eine 360 Perspektive als Live-Stream angeboten. Es wurde ein Netzwerk aufgebaut, das mit seinen Lastverteilern und den in verschiedenen Netzen aufgestellten Stream Servern in dieser Größe und Komplexität noch nie realisiert wurde. Alle Streams wurden zusätzlich zu den Servern bei WorldOnline (Streamtechnischer Partner von Big Brother) über eine verteilte Serverfarm-Struktur innerhalb vom DTAG-Netz (Deutsche Telekom AG) ausgeliefert. Gleichzeitig war die Telekom-Tochter-T-Mart auch für die Verteilung, das sog. Splitting zuständig. Abbildung 3.1 Der Netzwerkaufbau im Überblick A Die Splitter verteilten die 19 Signale (Kamerasignale) aus Redundanzgründen nochmals untereinander und schickte diese jeweils in das WorldOnline- und DTAG- Backbone. Problematisch stellte sich allerdings die Internet-Anbindung der Studios heraus. Die Telekom hatte zwar genügend Bild- und Audio-Analogleitungen aber die IP-Leitungen jenseits der 64Kbit waren nicht verfügbar. Um die Streams überhaupt in die entsprechenden Netzwerke befördern zu können mussten innerhalb von nur drei Wochen, drei Leitungen mit jeweils 34 Mbit vor Ort installiert werden. Die Bandbreite der 19 Streams bertrug jeweils 20*80 Kbit + 2*400 Kbit. Als nächstes musste die Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen

23 Streaming Probleme mit Echtzeitanwendungen automatische Verteilung der Anfragen der Benutzer geregelt werden das sogenannte Loadbalancing. Dies erfolgte in drei Schritten: Der globale Loadbalancer stellt fest, ob der Anwender aus dem Backbone der DTAG oder aus einem anderen Teil des Internets auf den Stream zugreifen will und leitet die Anfrage zur lokalen Verteilung weiter. Eine nur für diesen Zweck programmierte Anwendung von WorldOnline prüft mithilfe des Border Gateway Protocols welche Serverfarm der Nutzer auf dem kürzesten Weg mit den wenigsten Zwischenstationen erreichen konnte und leitet die Anfrage an die Serverfarm weiter. Darauf folgt das Lokale Loadbalancing also die Weiterleitung der Anfrage an den Stream-Server, der allen Kriterien am besten entsprach. Allein für die erste Staffel von Big Brother entsprach das 25 Millionen StreamAbfragen mit einer Datenmenge von ca. 30 Terabyte. Abbildung 3.2 Der Netzwerkaufbau im Überblick B Konstantin Vogel, Benni Tröger, Thore Christiansen